氣動裝配機械手結構設計
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畢業(yè)設計（論文） 題 目 氣動裝配機械手機構設計 姓 名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 系 別 完成日期 摘要 機械手是近幾十年發(fā)展起來一種高科技自動化生產設備，它對穩(wěn)定、提高產品質量、提高生產效率、改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經廣泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 本文就氣動機械手的應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景作了簡單概述。擴展我們的知識面和專業(yè)面，可以加強對自己的思維訓練和能力培養(yǎng)，還可以填補空白，提高生產效率，很大的現(xiàn)實意義。 關鍵詞：氣動機械手；研究方向；發(fā)展趨勢 目錄 第一章 緒 論 1 1.1 機械手國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2 氣動機械手的應用現(xiàn)狀 2 1.3 氣動技術有以下優(yōu)點 3 1.4 氣動機械手研究的目的、意義 4 1.5 發(fā)展前景及方向 4 1.6 設計時要解決的幾個問題 6 1.6.1 具有足夠的握力(夾緊力) 6 1.6.2 手指間應具有一定的開閉角 6 1.6.3 保證工件準確定位 6 1.6.4 具有足夠的強度和剛度 6 1.6.5 考慮被抓取對象的要求 7 1.7 氣動機械手的設計要求 7 1.8 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7 1.8.1 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 7 1.8.2 執(zhí)行機構 8 1.8.3 驅動系統(tǒng) 9 1.8.4 控制系統(tǒng) 9 1.8.5 位置檢測裝置 9 第二章 機械手的整體設計方案 10 2.1 機械手的坐標型式與自由度 11 2.2 機械手的手部結構方案設計 12 2.3 機械手的手腕結構方案設計 12 2.4 機械手的手臂結構方案設計 12 第三章 手部結構設計以及氣缸設計、校核 13 3.1 手部夾緊氣缸的設計 13 3.2 確定氣缸直徑 14 3.3 氣缸作用力的計算及校核 14 3.4 缸筒壁厚的設計 15 3.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 16 3.6 計算手部與工件總重量 16 第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與驗算 17 4.1 手臂部慣性力的計算 17 4.2 手臂部摩擦力的計算 17 4.3 手臂部驅動力 18 4.4 確定氣缸直徑 19 4.5 手臂伸縮氣缸的結構和工作原理 19 4.6 氣缸作用力的驗算（應取有桿腔的活塞面積進行計算） 20 4.7 導桿彎曲應力驗算 20 第五章 配重的選取 21 5.1 各部件重量計算 21 5.2 計算偏重力臂ρ 22 5.3 偏重力矩M縮偏、M伸偏 23 5.4 配重的計算 23 第六章 擺動氣缸的計算 24 6.1 手臂伸出狀態(tài)時，偏重力矩ρ 24 6.2手臂的轉動慣量J 24 6.3 手臂擺動回轉力矩的計算 24 第七章 升降部分的計算 26 7.1 升降氣缸的選擇 26 7.2 升降導桿的重量 26 7.3 升降導桿的校核 27 第八章 機械手氣動控制系統(tǒng)的設計 28 8.1 機械手的控制要求 28 8.2 氣壓驅動系統(tǒng)設計 28 結 論 30 參考文獻 31 附錄 32 致 謝 33 IV 第一章 緒 論 1.1 機械手國內外發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 工業(yè)機械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制；日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助性工作。 我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC——PWM等等。 我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。可以將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。 1.2 氣動機械手的應用現(xiàn)狀 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。 氣動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 1.3 氣動技術有以下優(yōu)點 (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵，不存在介質變質及補充的問題. (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 1.4 氣動機械手研究的目的、意義 在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。 （2）以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.5 發(fā)展前景及方向 1.5.1 重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 1.5.2 模塊化 有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。 智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。 1.5.3 無給油化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 1.5.4 機電氣一體化 由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。 1.6 設計時要解決的幾個問題 1.6.1 具有足夠的握力(夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 1.6.2 手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 1.6.3 保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 1.6.4 具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的 慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量 使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭 轉力矩最小為佳。 1.6.5 考慮被抓取對象的要求 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。 1.7 氣動機械手的設計要求 (1)機械手為通用氣動機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。 (2)選取機械手的坐標型式和自由度。 (3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。并進行計算、校核和畫CAD圖 1.8 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 1.8.1 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 被抓取物品 位置檢測裝置 手部 驅動系統(tǒng) （氣壓傳動） 控制系統(tǒng) （PLC） 手臂 執(zhí)行機構 立柱 圖1-1 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.8.2 執(zhí)行機構 包括手部、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本設計中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 4、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 1.8.3 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。 1.8.4 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.8.5 位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 第二章 機械手的整體設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動裝配機械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 圖2-1 機械手的整體機械結構 2.1 機械手的坐標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱坐標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。（如圖2-2所示） 圖2-2 機械手的運動示意圖 2.2 機械手的手部結構方案設計 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心 2.3 機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 2.4 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 第三章 手部結構設計以及氣缸設計、校核 3.1 手部夾緊氣缸的設計 夾緊氣缸的夾緊、驅動力的確定（圖3-1），工件重5kg。(g=9.8N/kg) 圖3-1 手部結構 1 夾緊力： F夾= （其中 θ=45，G=49N，f =0.1） F夾==174（N） 2 驅動力F驅 = （其中 b=50，c=30 ，α=23） 故F驅==250（N） F實際≥ 其中 K1：安全系數(shù)，一般取1.2～2 取K1=1.5 K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計， K2=1+式中a為被抓取工件運動時的最大加速度， a= v：升降速度0.2m/s，t：機械手達到最高速度的響應時間為0.1s g為重力加速度 g=9.8m/s2。 那么：K2=1+=1.204 η：手部機械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動摩擦） F實際==531（N） 3.2 確定氣缸直徑 取空氣壓力為P空氣 = 0.5 MPa = 5105Pa， D= ==0.0368(m)=36.8(mm) 圓整氣缸直徑D=40mm 3.3 氣缸作用力的計算及校核 F氣缸===628(N) 因為 F氣缸＞F實際 ， 所以 滿足設計要求。 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=8～12 mm 圓整后，取活塞桿直徑d=12 mm 校核，按公式≤[σ] 其中 [σ]=120MPa, F實際=531N 則:d ≥ (4531/π120) 1/2 =2.37mm ≤12mm 滿足設計要求。 3.4 缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: δ=DPP/2[σ] 式中: δ—— 缸筒壁厚 mm D ——氣缸內徑 ，40mm PP——實驗壓力，取PP=1.2P=6105Pa 材料為 : ZL3,[σ] =3MPa 代入己知數(shù)據，則壁厚為: δ=DPP/2[σ] =406105/23106 =4 mm 取δ=4 mm，則缸筒外徑為:D=40+42 =48 mm。 于是選擇SC-4050型的夾緊氣缸(圖3-2)。 圖3-2 夾緊氣缸 3.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 氣動手爪這種執(zhí)行元件是一種變型氣缸。它可以用來抓取物品，實現(xiàn)機械手各種運動。在自動化系統(tǒng)中，氣動手爪常應用中搬運、傳送工件機構中抓取、拾放物品。 氣動手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產生的往復直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒條等機構，驅動各個手爪同步做開、閉運動。 3.6 計算手部與工件總重量 這里手部結構自行設計，我設計的手部大概質量m手=1.5kg，夾緊氣缸的鋼體m鋼體=1.5kg查有關資料，得SC-4050型夾緊氣缸重量為1kg。 所以M總質量=m手+m氣缸+m鋼體+m工件=1.5+1+1.5+5=9kg,G手部=M總質量9.8kg/N=88.2N 第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與驗算 4.1 手臂部慣性力的計算 (1)手部總重量：G手部=88.2(N) (2)伸縮導桿重量：選取外徑20mm，內徑10mm，長度500mm的無縫鋼管作伸縮導桿，共2根。2G導桿=L7.81039.82=18(N) (3)導桿后連接板重量: G導桿后連接板=（0.20.070.01-0.080.050.01）7.81039.8=7.6(N) 所以總重量為： G手臂慣=G手部+2G導桿+G導桿后連接板=113.8(N) 那么： m手臂慣==11.6kg (6)手臂伸縮時產生的慣性力為: F慣=m手臂 式中：Δt——起動或制動時間差(s)，取0.1s； Δv——起動或制動的速度差(m/s)，取0.25m/s 那么： F慣=m手臂=11.6=29(N) 4.2 手臂部摩擦力的計算 由于手臂伸出時，伸縮導桿所受作用力最大，根據其受力簡圖（圖4-1）計算。 圖4-1 受力簡圖 圖中：G1——工件自重49(N)，G2——手指部分及夾緊氣缸的重量39.2(N)， 2G3——導桿重量18(N)，G4——導桿后連接板重量7.6(N) 列方程：ΣMB=0 ： 2N10.15+0.2G4-0.22G3-0.5G2-0.5G1=0 N1==158（N） ΣY=0：2N2-2N1-G1-G2-2G3-G4 =0 N2==215（N） 伸縮運動時，摩擦系數(shù)f，當被聯(lián)接件為鋼或鑄鐵件，且為干燥的加工表面時，取f =0.10得： F摩A=0.12N1=0.12158=31.6(N) F摩B=0.12N2=0.12215=43(N) 4.3 手臂部驅動力 根據伸縮氣缸運動時所需克服的摩擦力及慣性力等幾方面的阻力，來確定伸縮氣缸的所需的驅動力?？紤]到除導桿與導桿座之間的摩擦外，還有氣缸桿與密封環(huán)間的摩擦，故增加安全系數(shù)K，取K=1.1。 F驅=K(F慣+F摩A+F摩B)=1.1(29+31.6+43)=114（N） F實際≥ 其中 K1：安全系數(shù)，一般取1.2～2 取K1=1.5 η：機械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動摩擦） F實際==201.2（N） 4.4 確定氣缸直徑 D===23（mm） 選擇標準型氣缸（缸徑為32mm）型號：QGBII32-300。 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=6.4～9.6 mm 取d=8mm 4.5 手臂伸縮氣缸的結構和工作原理 這個氣缸為單活塞桿雙作用氣缸，它由鋼筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內部被活塞分為兩個腔。有活塞桿腔稱為有桿腔，無活塞桿腔稱為無桿腔。當從無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力克服阻力負載推動活塞運動，使活塞桿伸出;當有桿腔進氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回。若有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復直線運動。 4.6 氣缸作用力的驗算（應取有桿腔的活塞面積進行計算） F氣缸==377(N) 因為 F氣缸＞F驅，所以，選擇MDBB32-300氣缸合適。 4.7 導桿彎曲應力驗算 σmax===36.1(Mpa) 式中：F ——工件自重、手指部分、夾緊氣缸及導桿重量；折合為106.2(N)，由于手臂共有2根伸縮導桿作導向，所以作用在每根導桿的合力為53.1(N) L ——導桿的長度 查《簡明機械設計手冊》可知35#鋼的[σ]=68.198(Mpa), σmax＜[σ] 故安全 第五章 配重的選取 因為要求手臂升降動作靈活輕快，而不致出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。為此要求手臂偏重力矩不能過大，否則對手臂的升降運動極為不利，也易引起手臂的跳動和傳動不平穩(wěn)。特別在手臂伸出時則偏重力矩最大，因此，在設計時應盡量減少手臂偏重力矩，以使手臂前伸部分與固定部分保持平衡。所以，在手臂托板下方安裝配重，以減少偏重力矩的影響。手臂的受力情況如圖5-1所示。 圖5-1 手臂受力情況 5.1 各部件重量計算 (1) 導桿座 由于導桿共有2個導桿座進行固定。那么， 2G導桿座=20.120.1500.0107.81039.8=27.5(N) (2) 伸縮氣缸 查煙臺凱威氣動液壓有限公司資料，知道伸縮氣缸QGBII32-400的質量計算公式為1.16+0.0042S，則氣缸質量：m伸縮氣缸=1.16+0.0042400=2.84(kg) G伸縮氣缸= m伸縮氣缸g=2.849.8=27.8(N) (3) 氣缸托板 氣缸托板長600mm，寬200mm，厚10mm G氣缸托板=0.6000.2000.0107.81039.8=92(N) 結合圖5-1手臂的受力情況，列出手臂上各部件情況如表(5.1)所示。 表5.1 手臂縮回與伸出狀態(tài)的重心位置到回轉軸的距離 手臂縮回狀態(tài)時，部件重心位置到手臂回轉軸的距離X(m) 手臂伸出狀態(tài)時，部件重心位置到手臂回轉軸的距離X(m) 部件名稱 部件重量(N) X1=0.25 X1=0.6 工件：G1 G1=49 X2=0.25 X2=0.6 手指部分及夾緊氣缸：G2 G2＝39.2 X3=0.075 X3=0.425 導桿：G3=0.3G導桿 G3＝5.4 X4=0.075 X4=0.075 1/4氣缸托板:G4 G4＝23 X5=-0.1 X5=-0.1 伸縮氣缸：G5 G5=27.8 X6=-0.175 X6=0.175 導桿：G6=0.7G導桿 G6=12.6 X7=-0.225 X7=-0.225 3/4氣缸托板:G7 G7＝69 X8=-0.35 X8=0 導桿后連接板：G8 G8＝7.6 X9=-0.4 X9=-0.4 配重:G9 G9=？ 5.2 計算偏重力臂ρ ρ= (1) 回時偏重力臂 ρ縮===0.0043(m) (2) 出時偏重力臂 ρ伸===0.175(m) 5.3 偏重力矩M縮偏、M伸偏 M縮偏=G總ρ縮=233.60.0043=1(Nm) M伸偏= G總ρ伸=233.60.175=40.88(Nm) 5.4 配重的計算 為了減少偏重力矩對回轉軸的作用，故在伸縮氣缸尾部的托板下方安裝配重，達到一定的力平衡，取配重的重心至回轉軸的距離為0.4(m) 則配重，G配==2.5(N) m= G配/g=0.255(kg) 配重的體積：V===0.3310-4 (m3) 配重的尺寸：（長寬高）403030(mm) 第六章 擺動氣缸的計算 6.1 手臂伸出狀態(tài)時，偏重力矩ρ G手臂總= G手臂+G配=233.6+2.5=236.1(N) ρ===0.17（m） 6.2手臂的轉動慣量J 查資料可知，按長方體進行驗算。 J=(l2+a2)=(0.92+0.22)=(0.92+0.22)=1.7（kgm2） J手臂=J+mρ2=1.7+0.172=2.4（kgm2） 6.3 手臂擺動回轉力矩的計算 ⑴ 克服啟動慣性所需的力矩M慣： M慣=J手臂=2.4=21（Nm） ⑵ 臂擺動回轉所屬的總力矩M總： 由于手臂部與立柱聯(lián)接使用導承連接，所生的摩擦力矩M摩不大，為了簡化計算可以將M慣適當放大，而省略掉、M摩，這時M總 =1.1M慣 那么， M總=1.1M慣=1.121=23.1（Nm） 查相關資料，選用（缸徑為40mm）QGK631800型氣缸。如圖(6-1) 在0.5MPa時，轉矩為56Nm，大于M總 （安全） 圖6-1 擺動氣缸 查相關資料，此型號的氣缸質量m=3(kg) 則：G擺動氣缸=mg=29.4(N) 第七章 升降部分的計算 7.1 升降氣缸的選擇 （1） 導桿慣性力的計算 G總=G手臂總+G擺動氣缸=236.1+29.4=265.5(N) F慣=m總a=a==54.2（N） （2） 導桿驅動力的計算 根據升降氣缸慣性力及自重等幾方面的阻力，來確定升降氣缸的所需的驅動力?？紤]到氣缸桿與密封環(huán)間的摩擦，故增加安全系數(shù)K，取K=1.1。 F驅=KF慣+G總=1.154.2+265.5=325.12（N） （3） 確定氣缸直徑D===29（mm) 選擇SC40-300SLB標準型氣缸（缸徑為40mm）型號。 （4） 氣缸作用力的驗算 F氣缸===628（N） 因為 F氣缸＞F驅， 所以，選擇SC40-300SLB氣缸合適，這個氣缸的重量為2kg。 7.2 升降導桿的重量 升降導桿外徑20mm，內徑10mm，長400mm m導桿=0.47.8103=0.73(kg) G導桿=m導桿g=0.739.8=7.2（N） 7.3 升降導桿的校核 當手臂伸出到最大范圍時，回轉中心彎矩最大，由兩條導桿同時承受，因M伸偏=40.88 故σ===32.5（MPa） 查《簡明機械設計手冊》可知45#鋼正火，[σ]=353(MPa) σmax＜[σ]?。ò踩? 第八章 機械手氣動控制系統(tǒng)的設計 8.1 機械手的控制要求 為了便于生產加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應的動作，其它動作以此類推。